桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法

1.本发明涉及地铁隧道建筑施工技术领域，尤其涉及一种桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法。


背景技术：

2.土木工程地基处理中，常面临着地基的承载力及稳定性不足、压缩及不均匀沉降和液化等问题。桩基作为一种最为常用的处理不良地基的方法,广泛应用于各种工程建设中。然而，桩基在竖向荷载作用下，桩与桩周土颗粒相互作用，共同承受上部结构的荷载，作用规律较为复杂，一直为地基中桩基研究的难点，分析地基的变形与破坏的保守估计常大幅提高了工程造价。
3.桩-土相互作用规律主要包含桩基与桩周土两方面，桩基的制作材料一般为相对均匀、强度较大的混凝土材料，应力、变形规律多在稳定、易测的线弹性范围；而桩周土的性质复杂、在大位移下，以难以刻画的塑性变形为主，且其性质受加卸载路径影响，造成了研究桩土相互作用的困难，对于预测桩体的变形、位移、破坏等与设计情况相差极大，甚至造成桩基的失效。例如，在南海工程建筑与结构的修建过程中，桩基往往穿过钙质珊瑚砂地基，在桩基贯入下沉的过程中，钙质砂土颗粒牵引下沉、破碎，桩基的承载能力丧失可达一半以上，甚至导致桩基突然下沉数米失效，地基基础工程项目的失败。研究桩土相互作用，评价其对地基强度、变形及稳定性的影响，对工程实践提够设计依据和评价参数的意义重大。
4.然而，现有技术中对桩土相互作用的研究方法并不完善，较难准确的研究桩-土相互作用的规律。传统的室内桩基模型实验中，在桩顶荷载作用下，桩周土体中应力、变形、位移、土颗粒破碎等信息掩埋在土体内部，往往难以准确测量。基于上述方法的不足，部分工程技术研究人员采用缩尺实验，在几十厘米尺寸级别的模型箱中，用无定型硅或熔融石英砂混合相应的流体制作透明土来模拟桩周饱和土体，实现了桩-土相互作用的可视化研究。然而，模拟的无定型硅或熔融石英砂与实际工程中的土颗粒性质存在较大差异、实际中的土体常处于非饱和状态、透明土实验中模型缩尺过大，等原因极可能导致桩周土位移与工程实际不符。此外，透明土实验中，桩土相互作用下的土颗粒的破碎目前还难以测量，可视化实验中保持贯入桩体的竖直贴壁状态依然困难、实验中桩体形态也过于简单而本身变形仍然难以测量。所以，在工程真实土颗粒下的较大型模型实验中，反映桩土相互作用的实验方法突破十分必要。
5.为了能够采用自然土地也能够获知实验结果，在中国专利号为cn201910077530.9的专利文件中公开了一种用半桩进行实验的实验装置和方法，即使得模型半桩贴在透明的箱体壁上，此时土受到模型桩的影响而产生的变化在位于透明壁的部分上，实现了观察不需要透过土体既能够观察，从而克服了需通过透明的模拟土才能够进行实验的问题，通过自然土即可进行实验。
6.该实验装置和方法插在以下不足：实验过程中土移动的压力会导致模型半桩和透
明的侧壁之间产生缝隙而进入模型半桩和侧壁之间，模型半桩和侧壁之间进行土后会干扰实验的半桩特性，使得实验结果准确性差；应变片粘结在模型半桩上时，粘附物体（胶水或双面胶等）对模型半桩的弹性模量的干扰大，也导致实验结果准确性差；土以色层的方式铺设虽然能够较为准确和方便的获知土的上下方向的层间位移情况，但是无法准确方便地获知土水平移动的位移。


技术实现要素：

7.本发明的第一个目的旨在提供一种能够防止实验时土进入模型半桩和箱体侧壁之间的桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法，解决了现有的半桩方式进行土相互作用实验时土体容易进入模型半桩和侧壁之间影响实验准确性的问题。
8.本发明的第二个目的旨在进一步提供一种能够降低粘附应变片的材料对模型半桩弹性模量的影响的桩土相互作用可视化防扰式实验方法，解决了现有的粘贴固定应变片进行测量导致模型半桩应变数据的准确性差的问题。
9.本发明的第三个方面目的旨在进一步提供一种能够方便地获知土的水平和上下位移数据的桩土相互作用可视化防扰式实验方法，解决了现有的半桩方式进行土相互作用实验时土体水平位移无法准确地获知的问题。
10.以上技术问题是通过以下技术方案解决的：一种桩土相互作用可视化防扰式实验装置,包括箱体、竖向延伸的模型半桩、测量模型半桩下降量的位移传感器、可视化系统和给模型半桩施加竖向压力的竖向加载装置，其特征在于，箱体的前侧壁为透明的有机玻璃结构，所述模型半桩为半圆管结构，所述模型半桩的周向两端设有外翻边，箱体的前侧壁设有左右两块内衬层，内衬层为刚性透明材料制作而成，两块所述内衬层分布在模型半桩的左右两侧且一一对应地按压在模型半桩上的两个所述外翻边上，使得外翻边抵接在箱体的前侧壁上，所述内衬层同箱体的前侧壁贴合在一起，所述可视化系统从箱体的前侧壁的前方对箱体内部进行拍照以获得箱体内的土的移动过程。本技术方案，内衬层的同模型半桩和前侧壁的位置关系能够防止实验过程中土导致前侧壁外鼓变形等变化时土进入模型半桩和侧壁之间，从而能够维持实验时模型半桩为整桩的一半同土体接触，从而起到提高实验准确性的作用。
11.作为优选，所述内衬层远离模型半桩一端的端壁同箱体的内表面抵接在一起，两块内衬层之间形成的通槽沿竖向延伸。能够在箱体保持水平时保证模型半桩保持竖直。
12.作为优选，所述箱体设有能够升降的支撑脚。能够将发明的装置在不同的地方进行实验时包装模型半桩的竖直性。
13.作为优选，所述箱体由前侧壁、左侧壁、后侧壁、右侧壁和底壁共五个侧壁围成，相连的侧壁可拆卸连接在一起。能够进行箱体进行拆卸开进行储存转移，以便进行再次利用。
14.作为优选，所述模型半桩的内周面上粘贴有应变片，应变片同应变仪连接在一起。能够测量出实验时模型半桩的应该数据。
15.作为优选，所述内衬层位于模型半桩一端的端面的后侧设有沿上下方向延伸的按压凸条，所述内衬层通过所述凸条按压在所述外翻边上。能够使得内衬层可靠固定外翻边的同时内衬层同前侧壁之间的孔洞的开口面积小，阻挡土地模型半桩和侧壁之间的效果更好。
16.本发明还包括测量模型半桩下降量的位移传感器。能够实现获知模型半桩下存数据同土位移数据之间的关系。
17.一种桩土相互作用可视化防扰式实验方法，第一步、应变片安装：将应变片胶粘在模型半桩的内周面上；第二步、模型半桩安装：将半桩模型以竖置且外翻边贴合在箱体的前侧壁的方式放入箱体，将两块内衬层的一端一一对应地按压在两个内衬层上、另一端搭接在箱体的前侧壁上，模型半桩的下端同箱体的底壁之间留有间隙以提供模型半桩受压时下降的空间，模型半桩处于竖直状态；第三步、填土：在箱体内填入土到设定的高度，土将内衬层按压在箱体的前侧壁上和使得模型半桩被固定住保存在竖直状态；第四步、测量：通过竖向加载装置对模型半桩施加竖向压力，记录竖向压力的值、应变仪获取的模型半桩的应变数据、位移传感器获取的模型半桩的下降值和可视化系统采集到的土的位移变化图像。
18.作为优选，第一步中应变片安装好后，施加比第四步中竖向压力的最大值大的压力对模型半桩按压5次以上。能够消除粘贴应变片到模型半桩上形成的粘结层对模型半桩弹性模量的影响，从而提高实验测得的模型半桩应变数据的准确性。实现了第二个发明目的。
19.作为优选，第三步中填入的土中设有若干排沿上下方向分布的有色沙粒排，同一排有色沙粒排中的有色沙粒沿左右方向分布，相邻的有色沙粒之间间隔开，所述有色沙粒同所述内衬层抵接在一起，土的颜色与有色沙粒的颜色不相同。能够方便地选取用于检测土位移的点，使得测量数据更为准确。实现了第三个发明目的。
20.作为优选，有色沙粒同内衬层抵接在一起的方法为：在内衬层上涂上水，将有色沙粒通过水粘附在内衬层上，将土填入箱体内而通过土将有色沙粒按压在内衬层上，然后将内衬层上的所述水干燥而失去对有色沙粒的粘附作用。实现了方便准确地将有色沙粒排布到土体内。
21.本发明具有下述优点：通过有限防止图进入模型半桩和侧壁之间，提高了半桩进行桩土相互作用实验时的数据准确性；能够降低粘附物体对模型半桩应变数据准确性的影响；能够方便准确地获取图的上下和水平位移数据。
附图说明
22.图1为桩土相互作用可视化防扰式实验装置实验时的俯视示意图；图2为图1的a处的局部放大示意图；图3为桩土相互作用可视化防扰式实验装置实验时的正视示意图；图4为图3的b处的局部放大示意图。
23.图中：箱体1、模型半桩2、竖向加载装置3、前侧壁4、左侧壁5、后侧壁6、右侧壁7、底壁8、角铁9、螺栓10、螺母11、外翻边12、内衬层13、按压凸条14、支撑脚15、有色沙粒16。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.参见图1到图4，一种桩土相互作用可视化防扰式实验装置,包括箱体1、竖向延伸的模型半桩2、可视化系统（为现有的，所有图中都没有画出）和给模型半桩施加竖向压力的竖向加载装置3（也为现有装置）。本发明还设有测量模型半桩下降量的位移传感器。箱体由前侧壁4、左侧壁5、后侧壁6、右侧壁7和底壁8共五个侧壁围成。相连的侧壁可拆卸连接在一起，具体地为通过角铁9的两个边一一对应地打击在相邻的两个侧壁的外表面上，然后通过螺栓10配合螺母11将角铁同侧壁固定在一起从而实现可拆卸连接。模型半桩为半圆管结构，模型半桩的周向两端设有外翻边12。前侧壁为透明的有机玻璃结构，箱体的前侧壁设有左右分布的两块内衬层13，内衬层为刚性透明材料制作而成，具体为亚克力。两块内衬层分布在模型半桩的左右两侧且一一对应地按压在模型半桩上的两个所述外翻边上，使得外翻边抵接在箱体的前侧壁上，内衬层同箱体的前侧壁贴合抵接在一起，内衬层远离模型半桩一端的端壁同箱体的内表面抵接在一起（即左侧内衬板的左端同左侧壁的内表面抵接在一起，右侧的内衬半的右端同右侧壁抵接在一起），两块内衬层之间形成的通槽沿竖向延伸，模型半桩位于该通槽内。内衬层位于模型半桩一端的端面的后侧设有沿上下方向延伸的按压凸条14，内衬层通过凸条按压在外翻边上。可视化系统位于箱体的外部，可视化系统从箱体的前侧壁的前方对箱体内部进行拍照以获得箱体内的土的移动过程。箱体设有能够升降的支撑脚15，用于将箱体调平到模型半桩处于竖直状态。模型半桩的内周面上粘贴有应变片，应变片同应变仪连接在一起。
26.通过本发明的桩土相互作用可视化防扰式实验装置进行桩土相互作用可视化防扰式实验方法为，第一步、应变片安装：将应变片胶粘在模型半桩的内周面上；第二步、模型半桩安装：将半桩模型以竖置且外翻边贴合在箱体的前侧壁的方式放入箱体，将两块内衬层的一端一一对应地按压在两个内衬层上、另一端搭接在箱体的前侧壁上，模型半桩的下端同箱体的底壁之间留有间隙以提供模型半桩受压时下降的空间，模型半桩处于竖直状态；第三步、填土：在箱体内填入土到设定的高度，土将内衬层按压在箱体的前侧壁上和使得模型半桩被固定住保存在竖直状态；第四步、测量：通过竖向加载装置对模型半桩施加竖向压力，记录竖向压力的值、应变仪获取的模型半桩的应变数据、位移传感器获取的模型半桩的下降值和可视化系统采集到的土的位移变化图像。第一步中应变片安装好后，施加比第四步中竖向压力的最大值大的压力对模型半桩按压5次以上。第三步中填入的土中设有若干排沿上下方向分布的有色沙粒排，同一排有色沙粒排中的有色沙粒16沿左右方向分布，相邻的有色沙粒之间间隔开，所述有色沙粒同所述内衬层抵接在一起，土的颜色与有色沙粒的颜色不相同，有色沙粒颜色优选红色。有色沙粒同内衬层抵接在一起的方法为：在内衬层上涂上水，将有色沙粒通过水粘附在内衬层上，将土填入箱体内而通过土将有色沙粒按压在内衬层上，然后将内衬层上的所述水干燥而失去对有色沙粒的粘附作用。
27.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新本的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。